DE3012957A1 - Ferritischer nichtrostender stahl - Google Patents

Ferritischer nichtrostender stahl

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DE3012957A1
DE3012957A1 DE19803012957 DE3012957A DE3012957A1 DE 3012957 A1 DE3012957 A1 DE 3012957A1 DE 19803012957 DE19803012957 DE 19803012957 DE 3012957 A DE3012957 A DE 3012957A DE 3012957 A1 DE3012957 A1 DE 3012957A1
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titanium
niobium
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Thomas Humes Lower Burrell Pa. McCunn
Thomas John Cheshire Conn. Nichol
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Allegheny Ludlum Steel Corp
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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Description

-S-
Beschreibung
asirssssssssssssssssssssass
Die Erfindung "bezieht sich auf einen ferritischen, nichtrostenden Stahl.
Die US-Patentschriften 3 932 174 sowie 3 929 473 beschreiben ferritische nichtrostende Stähle mit überlegener Beständigkeit gegen Innenrißkorrosion und intergranulare Korrosion. Die dort beschriebenen Stähle enthalten 29 % Chrom und 4 % Molybdän. Sie enthalten außerdem einen maximalen Gehalt an Kohlenstoff plus Stickstoff von 250 ppm. Die Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte sind begrenzt, weil die Korrosionsbeständigkeit dieser Stähle durch steigende Gehalte der beiden Elemente herabgesetzt wird.
Die Forderung nach niedrigen Kohlenstoff- und Stickstoffgehalten in den Legierungen gemäß den US-Patentschriften 3 932 174 sowie 3 929 423 ist nachteilig insofern, als dadurch kostenintensivere Schmelzverfahren, wie das Vakuum-Induktionsschmelzen erforderlich werden.
Durch die vorliegende Erfindung wird eine Legierung geschaffen, die eine Verbesserung der in den US-Patentschriften 3 929 174 sowie 3 929 473 beschriebenen Legierungen darstellt, ohne jedoch kostenintensive Schmelzverfahren zu benötigen. Die erfindungsgemäße Legierung kann beispielsweise mit Hilfe von Argon-Sauerstoff-Entkohlungsverfahren (AOD Procedures) erschmolzen und gefrischt werden.
Die erfindungsgemäße Legierung enthält bis zu 2,00 % an Elementen aus der aus Titan, Zirkonium und Niob bestehenden Gruppe mit der Maßgabe, daß die Gleichung
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3Q12957
+ %Zr/7 + %Fb/8 2 %C +
erfüllt ist und daß ein Gehalt an Kohlenstoff-Plus-Stickstoff von mehr als 275 ppro. vorliegt. Die erfindungsgemäße Legierung zeichnet sich aus durch eine überlegene Beständigkeit gegen Innenrißkorrosion (Crevice Corrosion) und durch eine überlegene Beständigkeit gegen intergranulare Korrosion. Ferner besitzt die erfindungsgemäße Legierung eine gute Schweißbarkeit und eine zufriedenstellende Zähigkeit, sowohl vor als auch nach dem Schweißen.
Wegen der vorstehend erörterten Gründe ist die erfindungsgemäße Legierung deutlich verschieden von den Legierungen der US-Patentschriften 3 932 174 sowie 3 929 473. Sie unterscheidet sich gleichfalls von den Legierungen der US-Patentschriften 3 957 544 sowie 4 119 765- Die beiden letztgenannten Legierungen besitzen maximale Molydängehalte, die unterhalb den erfindungsgemäß angegebenen Gehalten liegen.
Zum Stand der Technik sei auf den Aufsatz "Ferritic Stainless Steel Corrosion Resistance and Economy" verwiesen. Dieser Aufsatz von Remus A. LuIa erschien im Juli 1976 in Metal Progress, Seiten 24 bis 29. Der genannte Aufsatz offenbart nicht den erfindungsgemäßen ferritischen nichtrostenden Stahl.
Die Erfindung verfolgt somit das Ziel, einen ferritischen, nichtrostenden Stahl zu schaffen.
Der ferritische nichtrostende Stahl nach der Erfindung zeichnet sich aus durch eine überlegene Beständigkeit gegen Innenrißkorrosion und intergranulare Korrosion, durch eine gute Schweißbarkeit und eine zufriedenstellende Zähigkeit, sowohl vor als auch nach dem Schweißen.
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Der erfindungsgemäße Stahl besteht im wesentlichen aus bis zu 0,08 Gew.-% Kohlenstoff, bis zu 0,06 Gew.-% Stickstoff, 25,0 bis 35,0 Gew.-% Chrom, 3,6 bis 5,6 Gew.-% Molybdän, bis zu 2,0 Gew.-% Hangan, bis zu 2,0 Gew.-% Nickel, bis zu 2,0 Gew.-% Silicium, bis zu 0,5 Gew.-% Aluminium, bis zu 2,0 Gew.-% Elementen aus der aus Titan, Zirkonium und Niob bestehenden Gruppe, Rest im wesentlichen Eisen. Die Summe aus dem Kohlenstoffgehalt plus - Stickstof f gehalt betragt mehr als 0,0275 Gew.-%. Titan, Zirkonium und Niob liegen im Stahl entsprechend der Gleichung
%Ti/6 + %Zr/7 + %Nb/8 > %C + $N .
vor, wobei der Kohlenstoffgehalt üblicherweise wenigstens 0,005 Gew.-% und der Stickstoffgehalt üblicherweise wenigstens 0,010 Gew.-% beträgt und die Summe aus dem Kohlenstoff plus Stickstoffgehalt größer ist als 0,030 Gew.-%. Chrom und Molybdän liegen vorzugsweise vor in Mengen von 28,5 "bis 30,5 Gew.-% bzw. 3,75 "bis 4,75 Gew,-%. Die Gehalte an Mangan, Nickel und Silicium liegen jeweils üblicherweise unterhalb von 1,00 Gew.-%. Aluminium kann wegen seiner desoxidierenden Wirkung beim Erschmelzen des Stahls verwendet werden und liegt üblicherweise in Mengen von weniger als 0,1 Gew.-% vor.
Titan, Niob und/oder Zirkonium werden dem Stahl zugesetzt, um die Beständigkeit der Legierung gegen Innenrißkorrosion und intergranulare Korrosion zu verbessern. In gewisser Weise handelt es sich bei der erfindungsgemaßen Legierung um eine sich durch einen hohen Gehalt an Kohlenstoff plus Stickstoff auszeichnende Variante der Stähle gemäß den US-Patentschriften 3 932 17^ sowie 3 929 4-73- Es wurde gefunden, daß hoch-kohlenstoffhaltigen und/oder hoch-stickstoff-
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3QU957
haltigen Versionen der Legierungen gemäß den beiden vorgenannten US-Patentschriften Stabilisatoren zugesetzt werden können, ohne daß die Zähigkeit und/oder Schweißbarkeit der Legierung zerstört wird. Wenngleich es bevorzugt ist, wenigstens 0,15 % Titan hinzuzufügen, weil das alleinige Vorliegen von Niob die Schweißbarkeit der Legierung ungünstig beeinflussen kann, liegt es innerhalb des Erfindungsgedankens, die erforderliche Stabxlisatorenmenge entweder als Titan oder als Niob hinzuzusetzen. Niob übt im Vergleich zu Titan einen vorteilhafteren Einfluß auf die Zähigkeit der Legierung aus. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich aus durch einen Niobgehalt von wenigstens 0,15 % und einen Titangehalt von wenigstens 0,15 %. Titan, Niob und Zirkonium liegen vorzugsweise in Mengen bis zu 1,0 °/o nach Maßgabe der folgenden Gleichung
+ %Zr/7 + 0MbZQ = 1,0 bis 4,0 (%0 +
Der ferritische nichtrostende Stahl nach der Erfindung eignet sich insbesondere zur Verwendung für geschweißte Erzeugnisse mit einer Dicke von nicht mehr als 1,778, üblicherweise nicht mehr als 1,2446 mm. So eignet sich der erfindungsgemäße Stahl insbesondere für geschweißte Kondensatorrohre, die typischerweise eine Dicke von 0,6004 bis 0,9398 mm aufweisen.
Ein bevorzugter Gedanke liegt in einem ferritischen nichtrostendem Stahl, wobei sich dieser durch eine überlegene Beständigkeit gegen Innenrißkorrosion sowie intergranulare Korrosion auszeichnet. Dieser Stahl besteht im wesentlichen aus bis zu 0,08 % Kohlenstoff, bis zu 0,06 % Stickstoff, 25,0 bis 35,0 % Chrom, 3,6 bis 5,6 Molybdän, bis zu 2,0 % Mangan, bis zu 2,0 % Nickel, bis zu 2,0 % Silicium, bis
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zu 0,5 % Aluminium, bis zu 2,0 % Elementen aus der aus Titan, Zirkon und Niob bestehenden Gruppe, Rest im wesentlichen Eisen. Die Summe aus dem Kohlenstoff plus Stickstoffgehalt beträgt mehr als 0,0275 %. Titan, Zirkonium und Niob liegen im Stahl entsprechend der Gleichung
+ %Zr/7
vor (Gew.-%).
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen näher erläutert:
Gußblöcke aus den 15 Chargen A bis 0 wurden, auf 1121 0C erwärmt, warm auf ein Bandmaterial von 3,1750 mm ausgewalzt, bei Temperaturen von 1066 oder 1121 0C geglüht, kalt auf ein Bandmaterial von etwa 1,754-8 bis 1,651 mm ausgewalzt und bei Temperaturen von 1066 oder 1121 0C geglüht. Die Proben wurden anschließend auf ihre Beständigkeit gegen Innenrißkorrosion (Crevice Corrosion) untersucht. Andere Proben wurden mit dem TIG-Verfahren geschweißt und auf ihre Beständigkeit gegen Innenrißkorro sion und intergranulare Korrosion untersucht. Die chemische Zusammensetzung der Versuchschargen ist in der folgenden Tafel I angegeben.
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Tafel I
Zusammensetzung (Gevj.-%)
Charge £ E £r Mo Mn Nl Si, Al TjL JTb Fe
A 0.042 0.022 29.09 4.00 0.24 0.31 0.34 0.039 0.31 - Rest
B 0.064 0.022 28.98 4.01 0.24 0.29 0.34 0.050 0.34 - "
C 0.020 0.021 29.08 4.00 0.24 0.29 0.33 0.023 0.26 - "
D 0.037 0.019 29.05 4.02 0.24 0.29 0.34 0.053 0.40 - "
E 0.039 0.014 28.88 4.02 0.24 0.30 0.33 0.055 0.61 - "
F 0.064 0.013 28.91 4.01 0.24 0.29 0.32 0.055 0.66 - "
G 0.015 0.015 29.10 4.02 0.35 0.41 0.38 0.010 - 0.38 . tt
H 0.030 0.016 29.10 4.04 0.36 0.45 0.40 0.014 - 0.53 n
I 0.029 0.019 28.92 4.04 0.35 0.54 0.39 0.016 0.20 0.39 «
J 0.030 0.025 28.96 4.20 0.34 0.45 0.36 0.029 0.50 - «
K 0.030 0.026 29.05 4.18 0.34 0.46 0.37 0.029 0.20 0.32 «
L 0.031 0.025 28.96 4.06 0.36 0.45 0.29 0.027 0.09 0.45 »
M 0.034 0.027 28.95 4.20 0.43 0.46 0.37 0.040 0.19 0.41 »
N 0.035 0.026 28.75 4.20 0.40 0.47 0.45 0.025 0.20 0.42 "
O 0.032 0.024 29.52 4.10 0.37 0.51 0.28 0.030 0.31 0.44 "
Weitere Daten siehe Tafel II.
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Tafel II
Charge 0.064
A 0.086
B 0.041
C 0.056
D 0.053
E 0.077
F 0.030
G 0.046
H 0.048
I 0.055
J 0.056
K 0.056
L 0.061
M 0.061
N 0.056
O
%Ti/6 + %Zr/7 +%Wb/8 0.052 0.057 0.043 0.067 0.102 0.110 0.048 0.066 0.082 0.083 0.073 0.071 0.083 0.086 0.107
Es ist zu beachten, daß die Chargen A und B außerhalb der Erfindung liegen. Diese beiden Chargen genügen nicht der Gleichung
%Ti/6
%Zr/7
%Nb/8
Die Beständigkeit gegen Innenrißkorrosion (Crevice Corrosion) wurde dadurch ermittelt, daß 25,4- x 50,8 mm Proben mit geschliffener Oberfläche 72 Stunden lang in eine 10 %-ige Eisenchloridlösung eingelegt wurden.
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Die Prüfung erfolgte bei Temperaturen von 35 und 50 0C. Risse wurden an den Ecken und Oberflächen dadurch hervorgerufen, daß die Polytetrafluoroäthylenblöcke an der Vorderseite und an der Rückseite benutzt wurden, welche mit Hilfe von um 90 ° zueinander ausgestreckten Gummibandpaaren sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung an Ort und Stelle gehalten wurden. Diese Werkstoffprüfung ist unter Designation G48-76 der ASTM beschrieben.
Die Versuchsergebnisse sind in der folgenden Tafel III zusammengestellt.
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Tafel III
Rißkorrosionstest in 10 %-iger EisenchloridlösunR Gewichtsverlust (κ)
Charge Grundmetall im geschw. Zu- im geschw. Zu
50 C stand. stand 35 C 50 C
A 0.0 0.0 0.4195
B 0.8519 0.0198 0.5783
C 0.0 0.0001 0.0004
D 0.0 - 0.0
E 0.0 0.0 0.0
F 0.0 0.0001 0.0
G- - 0.0
H- -
! - 0.0
j_ - 0.0003
K - - 0.0
L 0.0
M- - 0.0
N_ 0.0
0- - 0.0013
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Tafel III zeigt deutlich, daß die Beständigkeit der Chargen C "bis G sowie der Chargen I bis O derjenigen der Chargen A und B überlegen ist. Ein Grundmetall aus der Charge B zeigte einen Gewichtsverlust von 0,8519 6· Geschweißte Metalle aus den Chargen A und B zeigten Gewichtsverluste von 0,4195 bzw. 0,5783 g.
Wie bereits erwähnt, liegen die Chargen A und B außerhalb des Rahmens der Erfindung. Demgegenüber handelt es sich bei den Chargen C bis G sowie den Chargen Γ bis O /im erfindungsgemäße Stahlzusammensetzungen.
Die Beständigkeit gegen intergranuläre Korrosion wurde dadurch untersucht, daß 25,4 x 50,8 mm Oberflächen mit geschliffener Oberfläche 120 Stunden lang in eine kochende Lösung aus 50 % Kupfersulfat und 50 % Schwefelsäure gelegt wurden. Die üblichen Bemessungskriterien für erfolgreiches bzw. erfolgloses Bestehen dieses Tests sind eine Korrosionsgeschwindigkeit von 609,6 Aim p.a. (0,0508 mm je Monat) und eine befriedigende Untersuchung unter dem Mikroskop. Dieser Versuch ist für stabilisierte hochchromhaltige ferritische nichtrostende Stähle empfohlen.
Die Versuchsergebnisse sind in der folgenden Tafel IV zusammengestellt.
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Tafel IV
Korrosionsprüfung in Lösung aus 50 % Kupfersulfat und *pö % Schwefelsäure
KorrosionsKeschwindiRkeit - im seschw. Zustand
Charge ^im/anno
A 208,5
B ' 3581,4
C 173,2
D 252,3
E 142
F 279,4
G 146,3
H -
I 159,77
J 167,9
K 142
L 133,1
M 146,8
N 134,1
O 161,3
um/Monat Mikroskopische
Untersuchung am
geschw. Material
"bei 30-facher Ver
größerung
0,01737 -
0,29934 —
0,01443
0,02103 —
0,01184
0,02321
0,01219 NA*
0,01331 NA
0,01399 NA
0,01184 NA
0,01110 NA
0,01224 NA
0,01113 NA
0,0134-4 NA
NA*: Kein intergranularer Angriff.
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Aus Tafel IV geht hervor, daß lediglich die Charge B der Prüfung nicht standhielt. Die Charge B zeigte eine Korrosionsgeschwindigkeit von 5581,4 yam per anno. Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei dieser Charge um eine von zwei außerhalb der Erfindung liegenden Versuchschargen. Die andere nicht erfindungsgemäße Charge, nämlich die Charge A besitzt ein niedrigeres Prozentverhältnis von Titan zu Kohlenstoff-Plus-Stickstoff.
Die Zähigkeit wurde durch Bestimmen der Übergangstemperatur an Charpy V-Nutproben ermittelt. Die Proben für warmgewalztes und geglühtes Material hatten eine Abmessung von 5,1750 χ 10,0076 mm und die Proben für das Material im geschweißten Zustand besaßen eine Abmessung von 1,5748 bis 1,651 χ 10,0076 mm. Die Übergangstemperatur wurde bezogen auf einen Bruch mit 50 % Sprödbruch und 50 % duktilem Bruch. Die ermittelten Übergangstemperaturen sind in der folgenden Tafel 5 zusammengestellt.
Tafel V (0C)
ÜberpanRstemperatur im warmgewalzten und
Charge im geschweißten geglühtem Zustand
Zustand 74 (3)
A - 5,6^ 85(5)
B 15,6 ^ 68,5(5)
C 26,7 (1> 85 (3)
D 46 (D 90,5(5)
E 119,5 <"·) 88 (5)
P 104 (D 55,0(4)
G - 57 (2) 49 (4)
H — 71 (4)
I 35,0 (2)
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J 45
K 15,6
L 52,2
M 40,5
Ν 68,5
O 54
-15- 3012357
Fortsetzung der Tafel V
54 W 49 45
60 99(4)
(1) Bandmaterial vor dem Schweißen bei 1121 0C geglüht Luftabkühlung
(2) Bandmaterial vor dem Schweißen bei 1066 0C geglüht Wasserabschreckung
(3) Geglüht.bei 1121 0C - Wasserabschreckung; Prüfung in Querrichtung
(4) Geglüht bei 1066 0C - Wasserabschreckung; Prüfung in Querrichtung
Die Übergangstemperturen zeigen an, daß der erfindungsgemäße Stahl kaltgewalzt, verformt und geschweißt werden kann, wenngleich ein gewisses Vorwärmen gelegentlich wünschenswert erscheint. Die niobhaltigen Proben zeigten niedrigere Übergangstemperaturen als die titanhaltigen Proben. Die sowohl titan- als auch niobhaltigen Proben zeigten tibergangst emp er atur en, die zwischen den für die niobhaltigen und den für die titanhaltigen Proben ermittelten Übergangstemperaturen lagen.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Innerhalb des Erfindungsgedankens sind dem Fachmann manigfaltige Modifikationen möglich.
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Claims (8)

Allegheny Ludlttm Steel Corporation 2000 Oliver Building, Pittsburgh, Pennsylvania 15222 Ferritischer nichtrostender Stahl Pat entansprüche P 14 892-63/al 2. April 198o
1. Ferritischer, nichtrostender Stahl, "bestehend im wesentlichen aus bis zu 0,08 Gew.-% Kohlenstoff, bis zu 0,06 Gew.-% Stickstoff, 25,0 bis 35,0 Gew.-% Chrom, 3,6 bis 5,6 Gew.-% Molybdän, bis zu 2,0 Gew.-% Mangan, bis-ai 2,0 Gew.-% Nickel, bis zu 2,0 Gew.-% Silicium, bis zu 0,5 Gew.-% Aluminium, bis zu 2,0 Gew.~% Elementen der aus Titar Zirkonium und Niob bestehenden Gruppe, Rest im wesentlichen Eisen, mit der Maßgabe, daß der Gehalt an Titan, Zirkonium und Niob der folgenden Gleichung
%Ti/6 + %Zr/7 + %Nb/8
genügt,
wobei die Summe aus dem Kohlenstoff -plua Stickstoffgehalt mehr' als 0,0275 p/° beträgt.
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TELEFON (08S)
TELEX CR-OS-JBO
ORIGINAL
2. Stahl nach Anspruch 1 mit wenigstens 0,Q05 % Kohlenstoff und wenigstens 0,010 % Stickstoff, wobei die Summe aus diesem Kohlenstoff plus Stickstoffgehalt mehr als 0,030 % beträgt.
3. Stahl nach Anspruch 1 mit einem Chromgehalt von 28,5 bis 30,5 %.
4. Stahl nach Anspruch 1 mit einem Molybdängehalt von 3,75 bis 4,75 %
5- Stahl nach Anspruch 1 mit bis zu 1,0 % an Elementen der aus Titan, Zirkonium und Mob bestehenden Gruppe mit der Maßgabe, daß die Gleichung
#Ti/6 + %Zr/7 + %Nb/8 =1,0 bis 4,0 (%C + %N) erfüllt ist.
6. Stahl nach Anspruch 1 mit einem Titangehalt von wenigstens 0,15 %·
7. Stahl nach Anspruch 6 mit einem Wiobgehalt von wenigstens 0,15 %·
8. Stahl nach Anspruch 1 mit wenigstens 0,005 % Kohlenstoff, wenigstens 0,010 % Stickstoff, 28,5 bis 30,5 % Chrom, 3,75 bis 4,75 % Molybdän, bis zu 1,0 % an Elementen aus der aus Titan, Zirkonium und Niob bestehenden Gruppe entsprechend der folgenden Gleichung
%Ti/6 + %Zr/7 + %Nb/8 = 1,0 bis 4->0 (%C + 0M)
wobei die Summe aus dem Kohlenstoff plus Stickstoffgehalt mehr als 0,030 % betragt.
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